Skip to content

(K)eine Luftnummer: Luftdruck mit dem Smartphone messen

Das Themengebiet Mechanik der Gase und Flüssigkeiten eignet sich besonders dafür, bei Schülerinnen und Schülern das Interesse an Physik zu wecken. Wie man mithilfe üblicher Smartphones spannende Experimente im Unterricht gestalten kann, soll hier anhand von zwei Beispielen demonstriert werden.

Für die Thematik Luftdruck ist in vielen Rahmenlehrplänen und Curricula nur wenig Unterrichtszeit vorgesehen. Wichtige Einzelaspekte sind z. B. die Messung des Luftdrucks und damit verbundene Anwendungen. Luftdruckangaben aus dem Wetterbericht oder von der heimischen Wetterstation weisen im Fall von erhöhten Werten auf eine Schönwetter- und im Fall von verminderten Werten auf eine Schlechtwetter-Phase hin.

Wie können Smartphones eingesetzt werden?

Der Luftdruck ändert sich nicht nur horizontal zwischen Hochdruck- und Tiefdruckgebieten, sondern auch vertikal: Er nimmt mit zunehmender Höhe ab. Dies ermöglicht es Smartphones und Fitness-Trackern, die aktuelle Höhe unabhängig vom Global-Positioning-System (GPS) zu bestimmen. Diese Abnahme lässt sich mathematisch beschreiben. Unter der Annahme einer (räumlich) konstanten Temperatur ergibt sich die barometrische Höhenformel:

Barometrische Höhenformel

Der Luftdruck auf Meereshöhe beträgt etwa ein Bar (1 bar = 100.000 Pa) und ist ungefähr genauso groß wie der am Boden einer zehn Meter hohen Wassersäule. In der Fernsehserie „Mythbusters“ wurde übrigens demons­triert, dass dieser Druck ausreicht, einen Kesselwagen zur Implosion zu bringen – wenn man ihn vorher durch einen herunterfallenden Betonklotz beschädigt hat.

Höhenmessung mit dem Smartphone

Die Dichte der Luft und der Luftdruck sind zueinander proportional, d. h. sie unterscheiden sich nur durch einen konstanten Faktor. Aufgrund der Komprimierbarkeit der Luft ist der Zusammenhang zwischen Höhe und Luftdruck nichtlinear. Mit der (kostenlosen) Smartphone-App „Physics Toolbox Barometer“ von Vieyrasoft lassen sich die Sensorwerte für den Luftdruck sehr genau anzeigen. Der Namensbestandteil „Toolbox“ weist darauf hin, dass die Software zu einer Sammlung von Mess-Apps für die verschiedenen Sensoren eines Smartphones gehört. Die Messwerte werden als fortlaufender Graph angezeigt, können aber auch für die weitere Auswertung z. B. mit einer Tabellenkalkulations-App abgespeichert werden. Wird das Smart­phone zunächst auf den Boden gelegt und dann um zwei Meter angehoben, sieht man eine kleine aber deutlich erkennbare Abnahme des Luftdrucks um 0,2 mbar.

Um den Zusammenhang zwischen Luftdruck und Höhe zu untersuchen, kann letztere z. B. mit der App „Messen: Smart Measure“ von Smart Tools co. bestimmt werden. Diese App nutzt die Neigungssensoren des Smartphones und fordert den Benutzer dazu auf, definierte Punkte mit der Smartphone-Kamera anzupeilen. Sie berechnet dann mittels Trigonometrie Höhen und Abstände. In Bodennähe ergibt sich näherungsweise ein linearer Zusammenhang zwischen Luftdruck und Höhe. Um deutliche Abweichungen von der Linearität zu erkennen, müsste man allerdings schon einen Berg besteigen oder von einem Ballon oder Flugzeug aus den Luftdruck in verschiedenen Höhen messen.

 

Mit der App „Smart Measure“ von Smart Tools co. (v1.6.3a, 19.04.2016) lässt sich die Höhe von Gegenständen oder Gebäuden bestimmen.
Abb. 1: Mit der App „Smart Measure“ von Smart Tools co. (v1.6.3a, 19.04.2016) lässt sich die Höhe von Gegenständen oder Gebäuden bestimmen. Das Prinzip erklärt Abb. 2. ©Daniel Gembris

 

Die Bestimmung von Höhen per Geometrie erläutert die Skizze in Abbildung 2. Zunächst wird über den gemessenen Winkel β und die bekannte Höhe des Beobachters der Abstand bestimmt und dann die Gegenkathete zum Winkel α (in dem rechtwinkligen Dreieck, das durch die gestrichelte Linie, die obere Blicklinie und die Lotlinie durch den Fußpunkt definiert ist). Der Tangens eines Winkels ist definiert als der Quotient aus Gegenkathete und Ankathete eines zugehörigen rechtwinkligen Dreiecks. Damit ergibt sich die obere Teilhöhe (Gegenkathete) als Abstand (Ankathete) mal Tangens des Winkels . Die Höhe kann auch auf anderen Wegen, z. B. über Geradengleichungen oder Strahlensätze bestimmt werden. Das Thema eignet sich dadurch als roter Faden für den Mathematik­unterricht der Mittelstufe.

 

Abb. 2: Die beiden Blickgeraden bilden zusammen mit der gestrichelten Linie und der Sym­me­trie­ach­se des Baumes zwei rechtwinklige Dreiecke. Spezielle Messgeräte zur Winkel­messung sind unter der Bezeichnung Theodolit bekannt.
Abb. 2: Die beiden Blickgeraden bilden zusammen mit der gestrichelten Linie und der Sym­me­trie­ach­se des Baumes zwei rechtwinklige Dreiecke. Spezielle Messgeräte zur Winkel­messung sind unter der Bezeichnung Theodolit bekannt. ©Daniel Gembris

 

Das Smartphone als Waage

Eine etwas unkonventionelle Anwendung der Luftdruckmessung besteht darin, mit ihrer Hilfe das Smartphone in eine Waage zu verwandeln. Es existieren zwar schon viele Apps, die versprechen, den berührungsempfindlichen Bildschirm als Waage zu nutzen, sie lösen ihr Versprechen bisher aber nicht ein. Eine tatsächlich praktikable Methode hingegen ist Folgende (Abb. 3): Man platziert das Smartphone in einer durchsichtigen, luftdichtverschließbaren Frischhalte-Dose aus Kunststoff. Ein Gegenstand, der auf der Dose abgesetzt wird, verformt diese entsprechend seiner Masse und erhöht dadurch den Luftdruck der eingeschlossenen Luft. Nach Durchführung einer Kalibrierungsmessung, die darin besteht, für verschiedene bekannte Massen die zugehörige Luftdruckänderung zu messen, lassen sich auch Körper mit unbekannter Masse wiegen. Untersucht werden könnte u. a. der funktionale Zusammenhang zwischen Masse und Luftdruck, z. B. die Gültigkeit einer linearen Beschreibung, die Genauigkeit der Waage im Vergleich zu ‚richtigen‘ Waagen und die Reproduzierbarkeit der Messergebnisse.

 

Abb. 3: Experimenteller „Aufbau“ für die Messung der Masse eines Türstoppers mittels Smartphone ©Daniel Gembris
Abb. 3: Experimenteller „Aufbau“ für die Messung der Masse eines Türstoppers mittels Smartphone ©Daniel Gembris

 

Die Funktionsweise von Luftdrucksensoren könnte in einem Lehrervortrag oder Schülerreferat erläutert werden. Es bietet sich auch eine ganze Unterrichtsreihe zu den Sensoren eines Smartphones an. Weitere für den Physikunterricht relevante Smartphone-Apps und -Anwendungen beschreibt das im AOL-Verlag erschienene Buch „Smartphones raus! Physik!“. Ein weiterer Beleg für das große Potenzial, das Smartphones und Tablets für den Physikunterricht bieten, ist die Vergabe des Deutschen Lehrerpreises 2016 für innovativen Unterricht an Patrick Bronner für das von ihm entwickelte Medienkonzept. Tipp: Auf der nachstehend angegebenen Webseite des Projektes mascil (mathematics and science for life) finden sich Beschreibungen von mehr als 60 Physik-Experimenten mit Smartphones im Physikunterricht.

Dr. Daniel Gembris

 

Weitere Informationen

60 Physik-Experimenten mit Smartphones im Physikunterricht

Beitrag teilen:

Facebook
Twitter
LinkedIn
Pinterest
XING
WhatsApp
Email

Ähnliche Beiträge

coocazoo_Blog_Schlau_mit_Wow_neu
Gesponserte Inhalte
20. September, 2023
Die kompakte, fächerübergreifende Unterrichtsreihe für die 3. und 4. Klasse aus dem Bereich Bildung für nachhaltige Entwicklung (BNE) unterstützt Ihre Schüler:innen, fundierte Entscheidungen bei der Rettung unseres Planeten zu treffen. Am Beispiel von Plastikmüll lernen sie Zusammenhänge kennen und verstehen.
MZ-01-23_Beitragsbild (1)
7. Juli, 2023
Denken Sie ab und zu einmal an Ihre Chemie-Unterrichtsstunden zurück? Haben Sie damals viel selbst experimentieren dürfen? Oder hätten Sie gerne mehr experimentiert? Diese Erfahrung teilen viele der Teammitglieder im Team Science & Education des JungChemikerForums (JCF) der Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V. Sie haben sich daher entschlossen, einen Chemie Escape-Room für Schüler*innen zu entwickeln, um diese für die MINT-Fächer zu begeistern.
MZ-01-23_Beitragsbild
30. Juni, 2023
Wir leben in einer VUCA-Welt. Der Begriff wurde bereits Mitte der 1980er-Jahre in den Wirtschaftswissenschaften geprägt und später vor allem für den Bereich moderner Unternehmensführung und -strategien auskonzipiert. VUCA ist eine englische Abkürzung und beschreibt den Zustand des gesellschaftlichen Zusammenlebens (und damit die Märkte und das Wirtschaften) als veränderlich (volatile), unsicher (uncertain), komplex (complex) und mehrdeutig (ambiguous).
OVS-Ausschnitt-Stunde-Wege-des-Lichts
Gesponserte Inhalte
16. Juni, 2023
Die Kultusministerien meldeten laut einer Umfrage des Redaktionsnetzwerks Deutschland (RND) vom 25. Januar 2023 genau 12.341 unbesetzte Stellen. Bis 2025 werden bereits 25.000 Stellen unbesetzt sein, vor allem in den MINT-Fächern. Was tun?
MZ-02-23_Beitragsbild (2)
9. Juni, 2023
Das Schmelzen der Gletscher hat globale Folgen für das Leben auf dieser Erde. Einerseits stellen die Gletscher unsere Süßwasserspeicher dar. Ein Schmelzen würde zuerst zu Überschwemmungen und dann zu Wassernot führen. Andererseits verursacht das Schmelzen der Gletscher Klimaänderungen und damit verbunden einen Temperaturanstieg auf der Erde. Genau hier setzt das Physikexperiment an, in dem die Schüler*innen der 5. und 6. Klasse das Schmelzen von Eis erforschen und einen Zusammenhang mit dem Klimawandel herstellen. Hierfür wird eine digitale Experimentierumgebung im Comicformat zur Verfügung gestellt, die durch gestufte Lernhilfen adaptives Lernen ermöglicht.
2
19. Mai, 2023
Der Unterricht der naturwissenschaftlichen Fächer verläuft häufig problemorientiert. Das bedeutet, es werden Problemlöseprozesse durchlaufen, in denen die Lernenden zunächst mit einer realen, authentischen oder konstruierten Problemsituation konfrontiert werden, aus der sich ein oder mehrere Fragestellungen ergeben, die für die Lernenden nicht auf Anhieb lösbar sind. Was sie aber leisten können, ist, auf der Basis ihres Vor- oder Alltagswissens Ideen, Vermutungen oder gar Hypothesen zur Fragestellung zu formulieren, diese dann durch Auswertung empirischer Daten zu prüfen und über die erhaltenen Ergebnisse die Fragestellung(en) zu beantworten.
MZ-01-23_Beitragsbild (1)
15. April, 2023
Der Klimawandel beschreibt die langfristigen Veränderungen von Faktoren wie der Temperatur, des Niederschlags und der Meeresströmungen. Er schreitet bedrohlich schnell voran, trifft vor allem besonders vulnerable Gruppen und betrifft uns alle. Längst ist von einer Klimakrise die Rede, die die Gesundheit, Sicherheit und Ernährung, ja die gesamte Existenz der Menschheit bedroht. Wir alle bekommen den Klimawandel im wahrsten Sinne des Wortes zu spüren. Laut Angaben des Weltklimarates IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) sind 3,3 bis 3,6 Milliarden Menschen auf der Welt „hochgradig gefährdet“.
MZ-01-23_Beitragsbild
14. April, 2023
Eine verlorene Schiffsladung ist nicht nur ein Ärgernis für die Reederei, in den meisten Fällen hat solch ein Ereignis zudem negative Folgen für die Umwelt. Im Januar 1992 gelangten durch einen Sturm etwa 28.800 Kunststofftiere ins Meer. Unter dem Namen „Friendly Floatees“ wurden sie weltbekannt und halfen der Wissenschaft, die windgetriebenen Oberflächenströmungen besser zu verstehen.
LE-Klett-Mint-Kampagne-Header-4-1920x1080px
Gesponserte Inhalte
5. April, 2023
In der Grundschule sollen die Schülerinnen und Schüler nicht nur Wissen erwerben, sondern vielmehr eine Reihe wichtiger Kernkompetenzen, die sie für ihren weiteren Bildungsweg und ihr folgendes Alltagsleben benötigen. Mit dem Lernkonzept SPIKE TM Essential von LEGO® Education gelingt es Lehrkräften leicht, spielerisch-entdeckendes Lernen in ihren Klassenzimmern zu fördern und den Kindern damit alle relevanten Fähigkeiten schnell und nachhaltig zu vermitteln.
A999jowd_35a2ga_8hg
16. März, 2023
In den letzten Jahren scheint der anthropogene Klimawandel unsere Gesellschaft zu spalten. Der notwendige wissenschaftliche Diskurs geht zwischen Straßenblockaden und Demonstrationen in einem Gemenge von Meinungen und politischer Stimmungs-mache unter. Das Verständnis naturwissenschaftlicher Erkenntnisgewinnung kann nicht nur dazu beitragen, Ursachen und Auswirkungen des Klimawandels nachzuvollziehen, sondern bildet auch die Grundlage für eine aktive und wissenschaftlich fundierte Beteiligung am Klimaschutz.
LE-Klett-Mint-Kampagne-Header-3-1920x1080px
Gesponserte Inhalte
8. März, 2023
Grundschülerinnen und -schüler begreifen Dinge schneller, wenn sie Erfahrungen und Erlebnisse aus ihrem eigenen Alltag mit dem neuen Lernstoff verbinden können. Dann macht das Lernen mehr Spaß und ergibt für die Kinder einen alltagsbezogenen Sinn. Mit den bekannten LEGO® Steinen aus dem Lernkonzept SPIKETM Essential von LEGO Education können sie die ihnen bekannte Welt in realitätsnahen Modellen nachbilden und die zugehörigen Aufgaben mit Alltagsbezug lösen.
ORP_TeachEconomy_Header1_20220422
Gesponserte Inhalte
17. Februar, 2023
Ob fachlich geprüfte Unterrichtseinheiten oder dazu passende digitale Ergänzungen – das umfangreiche und kostenlose Angebot www.teacheconomy.de bietet spannende, didaktisch aufbereitete Materialien für den Wirtschaftsunterricht. Auch dieses Jahr wird das Teach Economy Team wieder mit einem Stand auf der didacta in Stuttgart vor Ort sein. Schauen Sie mal vorbei!